Räni vahvlite tootmine

SiO2+ C → Si + CO2

Si + 3HCl → SiHCl3+ H2

FBR-i hüdrokloorimisreaktsioon annab gaasilise saaduse, mis on umbes 90% triklorosilaani (SiHCl3). Ülejäänud 10% selles etapis toodetud gaasist on enamasti tetraklorosilaan, SiCl4, mõne diklorosilaaniga, SiH2Cl2. See gaasisegu viiakse läbi mitmete fraktsioneerivate destilleerimiste abil, mis puhastavad triklorosilaani ning koguvad ja kasutavad uuesti tetraklorosilaani ja diklorosilaani kõrvalsaadusi. See puhastusprotsess annab ülipuhtat triklorosilaani, mille peamised lisandid on madalates miljardi osades. Puhastatud tahke polükristalliline räni toodetakse ülipuhtast triklorosilaanist, kasutades meetodit, mida tuntakse Siemensi protsessina. Selles protsessis lahjendatakse triklorosilaan vesinikuga ja juhitakse keemilise auru sadestamise reaktorisse. Seal reguleeritakse reaktsioonitingimused nii, et polükristalne räni ladestub elektriliselt kuumutatud ränivardadele vastavalt triklorosilaani moodustumisreaktsiooni tagurpidi:

SiHCl3+ H2→ Si + 3HC

Sadestumisreaktsiooni kõrvalsaadused (H2HCl, SiHCl3, SiCl4ja SiH2Cl2) püütakse ja taaskasutatakse triklorosilaani tootmise ja puhastamise protsessis, nagu on näidatud joonisel 2. Pooljuhtklassi räni tootmise, puhastamise ja räni sadestamise protsesside keemia on keerulisem kui see lihtne kirjeldus. Samuti on mitmeid ränidioksiidi tootmiseks kasutatavaid alternatiivseid keemiaid.

Kõrgema puhtusastmega räni saab toota ujuktsooni (FZ) rafineerimise meetodil. Selle meetodi korral paigaldatakse kasvukambrisse polükristalliline räni valuplokk kas vaakumis või inertses atmosfääris. Kang ei puutu kokku ühegi kambri komponendiga, välja arvatud ümbritsev gaas ja selle põhjas teadaoleva orientatsiooniga seemnekristall (joonis 4). Valu kuumutatakse mittekontaktsete raadiosageduslike (RF) mähiste abil, mis moodustavad valuplokis sulatatud materjali tsooni, tavaliselt umbes 2 cm paksuse. FZ-protsessis liigub varda vertikaalselt allapoole, võimaldades sulatatud tsoonil liikuda valuploki ulatuses ülespoole, surudes lisandeid sulatise ette ja jättes maha kõrgepuhastatud monokristallilise räni. FZ ränilaudade vastupidavus on kuni 10 000 oomi-cm.

Ränivahvlite valmistamise viimane etapp hõlmab keemiliseltsöövituseemale kõik pinnakihid, millel võib olla saagimisel, lihvimisel ja lappimisel kogunenud kristallikahjustusi ja saastumist; järgnebkeemiline mehaaniline poleerimine(CMP), et tekitada vahvli ühel küljel väga peegeldav, kriimustusi ja kahjustusi tekitav vaba pind. Keemiline söövitamine toimub vesinikfluoriidhappe (HF) söövituslahuse segamisel lämmastik- ja äädikhapetega, mis suudavad räni lahustada. CMP-s paigaldatakse räniviilud kandurile ja asetatakse CMP-masinasse, kus nad läbivad kombineeritud keemilise ja mehaanilise poleerimise. Tavaliselt kasutab CMP kõva polüuretaanist poleerimisplaati, mis on kombineeritud leeliselises lahuses peen dispergeeritud alumiiniumoksiidi või ränidioksiidi abrasiivsete osakeste suspensiooniga. CMP protsessi valmistoode on räniplokk, mis on meile kui kasutajatele tuttav. Selle ühel küljel on väga peegeldav, kriimustustest ja kahjustustest vaba pind, millele saab valmistada pooljuhtseadmeid.

Tabelis 1 on toodud elementaarsete ja binaarsete (kahe elemendiga) ühendjuhtmete loetelu koos nende ribalaiuse olemuse ja suurusega. Lisaks binaarsetele ühendjuhtmetele on seadme valmistamisel tuntud ja neid kasutatakse ka kolmekomponentsetest (kolme elemendiga) ühendjuhtmetest. Kolmepoolsed liitpooljuhid hõlmavad selliseid materjale nagu alumiinium-galliumarseniid, AlGaAs, indium-galliumarseniid, InGaAs ja indium-alumiiniumarseniid, InAlAs. Kvarternarne (nelja elemendiga) liitpooljuhid on tuntud ja neid kasutatakse ka kaasaegses mikroelektroonikas.

Liitpooljuhtide ainulaadne valgust kiirgav võime on tingitud asjaolust, et nad on otsese sagedusribaga pooljuhid. Tabel 1 tähistab, millistel pooljuhtidel on see omadus. Otsese ribalaiuse pooljuhtidest ehitatud seadmete kiiratava valguse lainepikkus sõltub ribalaiuse energiast. Erinevate liitühendusega pooljuhtidest, millel on otsesed sagedusribad, ehitatud osade ribalaiuse struktuuri väljatöötamise abil on insenerid suutnud toota tahkes olekus valgust kiirgavaid seadmeid, mis ulatuvad kiudoptilises kommunikatsioonis kasutatavatest laseritest kuni kõrge kasuteguriga LED-lambid. Üksikasjalik arutelu pooljuhtmaterjalide otseste ja kaudsete ribade lünkade tagajärgede üle jääb selle töö raamidest välja.

Lihtsaid binaarühendeid sisaldavaid pooljuhte saab valmistada lahtiselt ja ühekristallilisi vahvleid toodetakse protsessidega, mis sarnanevad ränivahvlite tootmisel kasutatavate protsessidega. GaAs, InP ja muid liitpooljuhtide valuplokke saab kasvatada kas Czochralski või Bridgman-Stockbarger meetodil koos vahvlitega, mis on valmistatud sarnaselt ränivahvlite tootmisega. Liitpooljuhtide vahvlite pinna konditsioneerimist (st nende peegeldavaks ja lamedaks muutmist) muudab keeruliseks asjaolu, et kohal on vähemalt kaks elementi ja need elemendid võivad reageerida erinevate moodide söövitajate ja abrasiividega.

Tabel 1. Elementaarsed pooljuhid ja kahendühendilised pooljuhid.